[发明专利]一种钠钾共嵌金属氧化物正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种钠钾共嵌金属氧化物正极材料及其制备方法，制备方法包括：1)以钾盐和过渡金属盐作为原料，利用高温固相法制备得到P3相的富钾层状金属氧化物；2)根据所需嵌钠量，在惰性气氛下将所述富钾层状金属氧化物粉末和钠单质混合，滴加钠离子电解液以润湿混合物，充分研磨后得到均匀的浆料；3)在惰性气氛下将所述浆料静置以使富钾层状金属氧化物粉末和钠单质充分反应，清洗并离心分离，将所得沉淀干燥后得到钠钾共嵌金属氧化物正极材料。本发明的优点在于制备方法温和、操作简便，所制备的钠钾共嵌金属氧化物正极材料具有扩散系数高、倍率性能好、稳定性好等优点，适用于电化学储能器件的正极材料。

技术领域

本发明属于储能材料制备技术领域，具体涉及一种钠钾共嵌金属氧化物正极材料及其制备方法。

背景技术

层状过渡金属氧化物由于其理论容量高、材料来源广泛、制备方法简便，在电池、超级电容器、电催化剂等领域有广泛的应用，例如在锂离子电池中的钴酸锂、三元锂电材料均属于此类。富钠层状氧化物正极材料，如Na_0.7MnO₂、 Na_0.67Ni_0.33Mn_0.67O₂、Na_0.67Fe_0.5Mn_0.5O₂等，也是最有应用前景的一类正极材料。但由于钠离子半径比锂离子更大，钠离子在电极材料中嵌入、脱嵌较困难，因此需要通过改性手段促进钠离子的扩散，从而提高电极材料的容量和倍率性能。以往有文献^[2]尝试用高温固相法将尺寸更大的钾离子嵌入富钠层状氧化物正极材料中，撑大材料的层间距，从而提高钠离子的扩散速率。

但这一部分研究效果并不理想，因为钾离子比钠离子尺寸更大，更难以嵌入到层状氧化物当中，即使在高温烧结的条件下，嵌入到材料之中的钾离子数量低于5％，因此很难对材料的性能产生显著的提升。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种钠钾共嵌金属氧化物正极材料及其制备方法。本发明以富钾层状氧化物材料作为基材，以钠单质作为嵌钠剂，在常温下通过研磨促进反应，制备得到一种钠钾共嵌金属氧化物正极材料。本发明制备的钠钾共嵌金属氧化物正极材料具有钾离子嵌入量高、扩散系数大、容量和倍率性能高的优势，是一种有良好潜力的正极材料。

本发明所采用的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种钠钾共嵌金属氧化物正极材料的制备方法，具体如下：

1)以钾盐和过渡金属盐作为原料，利用高温固相法制备得到P3相的富钾层状金属氧化物(记为P3-K_xTMO₂，优选的，TM为Ni、Mn、Cu、Fe中的一种或多种)；该方法可以采用现有技术中常用的高温固相法来制备P3-K_xTMO₂。

2)根据所需嵌钠量，在惰性气氛下称取一定质量的富钾层状金属氧化物粉末和钠单质，将称取的富钾层状金属氧化物粉末和钠单质混合，滴加少量钠离子电解液以润湿混合物(富钾层状金属氧化物粉末和钠单质)，充分研磨后得到均匀的浆料；作为优选，可以根据预期的嵌钠量调整钠单质和P3-K_xTMO₂粉末的质量比，一般选用的质量比为1:5至1:2之间；

3)在惰性气氛下将所述浆料静置以使富钾层状金属氧化物粉末和钠单质充分反应，清洗并离心分离，将所得沉淀在真空环境或保护气氛中干燥后，得到钠钾共嵌金属氧化物正极材料(记为Na_yK_zTMO₂)。

作为优选，所述钾盐和过渡金属盐的混合摩尔比为1:1～1:2。

作为优选，所述高温固相法的烧结温度在700℃以上。